두산에너빌리티·동서발전 협력 30% 수소혼소 연소기 개발
2023년 착수 LNG발전소 질소산화물 연소진동 동시 저감
이산화탄소 배출을 줄이는 국산 가스터빈용 친환경 연소기가 개발돼 현장 실증에 들어가 주목을 받고 있다.
과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)은 LNG발전에 활용되는 가스터빈용 수소 혼소 연소기를 국내 최초 개발하고, 발전소에 적용하는 실증 과제를 추진한다고 13일 밝혔다.
기계연 탄소중립기계연구소 무탄소연료발전연구실 김민국 실장 연구팀은 지난 2020년 7월부터 13개 산?학?연 공동으로 국산 가스터빈용 친환경 연소기를 수소 30% 혼소 수준으로 개발했다.
기계연은 이를 토대로 한국동서발전, 두산에너빌리티 등과 협력해 오는 2023년 발전소 실증에 착수한다.
수소연료는 산화제인 공기와의 반응성이 높아, 고온 및 화염역화*를 유발할 위험이 있다.
기계연이 두산에너빌리티가 세계 5번째로 개발한 국내 유일 LNG 발전용 국산 가스터빈을 활용해 개발한 연소기는 이러한 위험을 방지하기 위해 연료분사 방법을 개선했다.
또 공기와 연료의 혼합도를 제어해 고온으로 인해 발생하는 질소산화물과 연소진동을 동시에 저감했다.
특히, 수소연료를 30% 혼합해 연소하면서도 기존 LNG 가스터빈의 연소성능을 유지할 수 있는 장점이 있다.
그동안 수소 혼소 연소기 개발을 추진했으나, 국내에는 연소기 개발에 필요한 연소 시험설비가 없어 성능 검증에 어려움을 겪어왔다.
따라서 이번에 개발한 가스터빈용 수소 혼소 연소기는 개발과정 중 독일항공우주센터(DLR)로 옮겨 가스터빈의 실제 운전 조건인 고압 환경의 연소시험을 성공적으로 통과해 성능이 검증됐다.
비록 해외 시험설비를 활용하였으나, 국내 독자 기술로 수소 혼소 연소기 개발에 성공했다는 점에서 그 의미가 크다고 전문가들은 입을 모았다.
가스터빈에 수소를 30% 섞어 연소할 경우 기존 LNG발전에 비해 이산화탄소 배출을 10.4% 감축할 수 있다.
기계연은 2024년까지 이산화탄소 배출량을 21.4%까지 줄일 수 있는 수소 50% 혼소 연소기를 개발 예정이며, 2030년 전까지 탄소를 전혀 배출하지 않는 수소 100% 연소기술 개발을 목표로 연구에 매진하고 있다.
한편, 기계연은 12일 대전 본원에서 ‘300MW급 가스터빈 수소혼소 연소기 개발 성과 보고회’를 개최했다.
기계연의 가스터빈 연소기의 수소 혼소 연소기 개조 핵심기술과 더불어, 두산에너빌리티의 고압 연소시험 결과와 한국동서발전 미래기술융합원의 수소혼소 가스터빈 발전소 실증 계획 발표가 이어졌다.
박상진 기계연 원장은 보고회에서 “친환경·무탄소 에너지 사회로의 전환을 위해서는 중?대형 가스터빈의 수소 연료전환 기술 개발과 발전소 실증이 필수로, 기술 개발이 완료 단계에 있고 터빈 제작사 두산에너빌리티와 수요처 한국동서발전의 실증 의지가 높아 조기에 수소터빈 국산 기술 확보가 가능하다”고 밝혔다.
박 원장은 또 “국내 독자 기술이 사장되지 않고 적기에 상용화되기 위해서는 발전 산업 특성상 민간의 의지만으로 불가능하기 때문에 실증 장소 선정 등에 정부의 관심과 지원이 필요하다”고 강조했다.
박 원장은 “후발주자로 시작한 LNG용 가스터빈 기술과 달리 선진국과 동등한 수준의 무탄소 가스터빈 기술을 확보한 상황에서 실증사업을 통해 상용화가 가속화될 수 있다면 대한민국의 차세대 신성장 산업으로 자리 잡을 것”이라며 자부심을 내비쳤다.
한편 이번 연구는 산업통상자원부 ‘300MWe급 발전용 수소혼소 50% 친환경 고효율 가스터빈 연소기 개발’과제(2020~2024)의 지원을 받아 수행됐다.
용어해설
* 화염역화 : 정상적으로는 연소실에 존재해야 하는 화염이 연료분사 노즐 안쪽으로 전파돼 들어오는 현상으로 노즐 손상, 진동 등의 문제를 발생시킨다.